PENGUKURAN ENERGI IMPAK HEL MET S EPEDA MOTOR AKIB AT B EB AN IMPAK J ATUH B EBAS DENGAN ANVIL PLAT DATAR
Oleh : Rah mat Ka rtolo Siman juntak Dosen KOPERTIS W ilayah I
Abstrac t
The traffic accident doesn’t involved by the velocity but also gravitational. Therefore, the research activity is done by researcher obtains the energy of impact loading on the helmet. The information which is obtained from this research will explain the effect of the impact energy on helmet to user, industry, and also government. The objective of this research involves the measuring the impact load, impact stress, and the energy absorbing by helmet as effect of impact loading. The researcher collaborates with the Impact and Fracture Research Center (IRFC) that has built the testing apparatus which is equipped with good acquisition data system. The helmet is put on the adjustable testing rig. The impact time can be measured by eight inductive proximity sensors. The helmet will be slide down and collide the anvil. The force will be measured with the load cell which is put down the anvil type of flat plat. The data will be transferred from the load cell into the DAQ system which has function to change the analog into digital signal. Finally, the data will be saved into PC as the force (N) and th e impact time (ms). The free-fall impact testing equipment has shown the best performance on the force and impact time signal reading as long as the research activity. The maximum impact force is 24.33 N; impact stress is 2.7 k Pa at the elevation of 0.75 m. The minimum energy which causes the fracture on the helmet is 17.57 J at same elevation.
Keywords: impact energy, impact load, impact stress, anvil, free-fall impact. 1. PENDAHUL UAN
Gelo mbang regangan adalah gelombang me kanis, yaitu gelombang yang meme rlu kan suatu med iu m tertentu untuk dapat mentransmisikan ke bagian yang lain. Kecepatan rambat gelo mbang tersebut bergantung pada sifat-sifat mediu m yang dila luinya.
Berdasarkan arah perambatannya, gelombang regangan dibedakan atas 2 bagian, yaitu: (1) gelombang transversal, dan (2) gelo mbang longitudinal. Gelo mbang transversal me miliki a rah gerakan partike l yang tegak lurus terhadap arah perambatan, sedangkan gelombang longitudinal me miliki arah yang sejajar dengan arah perambatan. Pada penelitian ini konsep yang digunakan ialah ra mbatan gelombang longitudinal sebagai dasar pembahasan teori kekuatan tarik impa k. Perilaku gelombang longitudinal pada sebuah batang logam secara skematis diperlihatkan pada Ga mba r 1. Gaya impak diberikan pada ujung kiri batang yang mengakibatkan batang bergerak ke kanan dengan kecepatan C1, pada waktu t.
Vo,t
Cl,t
C 1
Ga mbar 1. Ske ma ra mbatan gelo mbang impak
Sebelu m beban impak diberikan, batang impak me mpunyai kecepatan V1 sedangkan batang penerus dan spesimen me mpunyai kecepatan yang sama yaitu: V2= V3 = 0. Pada bidang antar mu ka a kan terjadi keseimbangan gaya, atau akan terjadi aksi dan reaksi antara kedua batang tersebut, yang dapat dinyatakan dengan hubungan 1A1 = 2A2, dimana 1 adalah tegangan pada batang 1, 2 adalah tegangan
pada batang 2, A1 ialah luas penampang batang 1,
dan A2 adalah luas penampang batang 2.
Berdasarkan hubungan persamaan
impulsdan mo mentu m dipero leh hubungan :
V
E
(1)
dimana: = tegangan impak, = massa jenis bahan, E= modulus Young, dan V= kecepatan partikel. Dengan demikian pada batang impak yang bergerak dengan kecepatan V1 a kan timbu l tegangan sebesar:
1 1
E
1V
1 1E
1V
' (2)Selanjutnya jika ditin jau pada batang 2, yang bergerak dengan kecepatan V’, maka dapat ditentukan tegangan pada batang 2, yaitu:
2 2 2 '
E
V
(3)
Tegangan impak yang ditransmisikan ke input bar dan spesimen tersebut ditentukan oleh kecepatan batang impak dan sifat-sifat mekan isnya. Bila luas kedua penampang sama besar, ma ka = 1 = 2.
Tegangan yang masuk dari ujung kiri input bar sebesar akan timbul pada interface input bar dan spesimen pada saat t2 = l2/C0,2 dimana l2 adalah panjang input bar dan C0,2 adalah kecepatan gelombang elastis pada input bar. Da la m ha l ini, ada tiga bentuk gelo mbang tegangan yang terlibat, yaitu: Tegangan yang terjadi ( ), Tegangan yang ditransmisikan ( T), Tegangan yang direfle ksikan ( R).
Untuk material yang me mpunyai sifat me kanis dan dimensi yang sama ma ka dengan mensubstitusikan harga E2 = E3, Co 2 = Co 3, A2 = A3, dan L2 = L3 ke dala m persamaan (E.9) dan (E.10), diperoleh T = 0 dan R = 0. Ini berarti besar tegangan yang ditransmisikan adalah sama dengan tegangan yang masuk, dan tida k ada tegangan yang direfleksikan.
Tujuan penelitian in i adalah untuk mendapatkan gaya impa k, tegangan impa k, serta energi impa k akibat beban impak jatuh bebas pada helmet sepeda motor.
2. METODOLOGI
Spesimen yang diuji ialah helmet sepeda motor yang diletakkan pada test rig khusus. Test rig ini dapat diatur ketinggian jatuhnya dengan ketinggian jatuh maksimu m 4 m. Posisi helmet pada test rig diperlihatkan pada gambar 2.
Ga mbar 2. Spesimen uji
Batang penerus yang dipergunakan pada penelitian ini terbuat dari besi St.37 dengan ukuran dia meter 100 mm dan panjang 150 mm. Bentuk batang penerus diperlihatkan pada gambar 3.
Ga mbar 3. Batang penerus
Pada bagian tengah diberikan landasan pengujian yang dikenal dengan istilah anvil. Bentuk anvil yang dipergunakan ialah bentuk plat datar seperti diperlihatkan pada gambar 4.
Ga mbar 4. Anvil p lat datar
Untuk mengukur besarnya beban impak dan gelombang regangan yang terjadi dipergunakan sensor gaya yang bekerja menggunakan strain gage full bridge dengan tahanan SG 350 ohm. Alat ini dikenal juga dengan istilah load cell dengan bentuk diperlihatkan pada gambar 5.
Ke ma mpuan alat ini dapat menerima beban dan mengukur gaya impa k hingga 30.000 kg dan untuk penggunaannya, alat ini sudah mendapatkan sertifikat ka librasi dari Ko mite Akreditasi Nasional untuk 20.000 kg. Susunan alat uji selengkapnya diperlihatkan pada gambar 6.
Ga mbar 6. Susunan alat uji.
Ske mat ik pengukuran beban impak jatuh bebas diperlihatkan pada gambar 7.
Ga mbar 7. Ske matik pengukuran data. Akibat tumbukan benda jatuh bebas pada alat sensor, ma ka timbul gelo mbang tegangan tekan (compressive stress wave) pada batang penerus. Gelo mbang tersebut akan ditangkap oleh pengolah sinyal (signal conditioner) dengan cara mengukur perubahan tahanan listrik ΔR/R yang sebanding regangan yang diterima strain gage mela lui bridge box. Selanjutnya dengan menggunakan pengkondisian sinyal, perubahan tersebut dikonversikan dala m bentuk tegangan listrik. Sinyal-sinyal tersebut diteruskan dalam bentuk gelo mbang dan selanjutnya ditampilkan pada penampil sinyal dala m bentuk digital sehingga dapat terbaca langsung. Akhirnya sinyal tersebut diteruskan ke
perangkat komputer yang telah dilengkapi dengan software pengukuran khusus.
3. HAS IL PENGUJ IAN
Luas daerah pembebanan pada pengujian ini diperlihatkan pada gambar 8, dengan nilai rata-rata ialah sebesar 0,0095 m2.
Ga mbar 8. Luas daerah pembebanan rata-rata. Gaya dan tegangan hasil uji impak untuk ketinggian jatuh 0,75 m berturut-turut diperlihatkan pada gambar 9 dan 10.
Ga mbar 9. Gaya impak hasil pengujian.
Ga mbar 10. Tegangan impa k hasil pengujian Berdasarkan data-data hasil pengujian terlihat bahwa beban impak yang ma mpu d iserap helmet pada tiga
Perangkat Load Cell Digital Komputer Alat Sensor Pengolah Data Aqusisi (DAQ) Pengkondisi Sinyal Penampil Sinyal Arata-rata = 0,0095 m2
kali pengujian dengan ketinggian impak yang sama akan menyebabkan penurunan kekuatan helmet tersebut. Dengan kata la in pada pengujian pertama dan kedua kekuatannya masih cukup bagus, tapi pada pengujian ketiga ke mungkinan terjad inya deformasi yang cukup besar sehingga hanya dengan beban yang relatif lebih kec il helmet te lah mengala mi ke rusakan. Data impuls yang terjadi d iperlihatkan pada gambar 11.
Ga mbar 11. Hasil pengukuran impuls. Energ i impak yang dapat diserap helmet selama pengujian d iperlihatkan pada ga mbar 12.
Ga mbar 12. Energ i hasil pengujian impa k. Berdasarkan data tersebut besarnya perbedaan energi yang diserap pada pengujian perta ma dengan ketinggian jatuh 0,75 m adalah sebesar 0,67 J atau sekitar 3,8%. Ke mudian pada pengujian kedua dengan helm yang sama pada masing-masing perlakuan anvil dipero leh penyerapan yang lebih kecil dibandingkan dengan pengujian pertama. Besarnya perbedaan energi ialah 0,21 J atau hanya sekitar 1,3%. Dengan demikian terlihat bahwa energi impak yang diserap oleh spesimen yang sama dengan pengujian berulang-ulang akan semakin kecil. Hal ini ke mungkinan disebabkan energi impak tersebut dikonversikan menjad i perubahan deformasi dala m spesimen.
4. KES IMPULAN
Gaya impak hasil pengujian helmet sepeda motor pada ketinggian 0,75 m yang dilakukan selama tiga kali percobaan dengan spesimen yang sama berturut-turut ialah 25,53 N, 20,72 N, dan 16,22 N. Data ini me mperlihatkan penurunan gaya impa k yang terjadi seiring se makin besarnya deformasi yang terjadi. Sedangkan tegangan impak yang dihasilkan dengan luas permukaan impak rata-rata 0,0095 m2 berturut-turut ialah 2,37 kPa, 2,18 kPa , dan 1,70 kPa. Data-data ini menunjukkan bahwa ke kuatan helmet sepeda motor akan mengala mi penurunan apabila dikenai beban impak berulang-ulang. Se ja lan dengan penurunan kedua parameter sebelumnya, energi impak juga mengala mi penurunan dari pengujian pertama dan kedua, yaitu sebesar 3,8%.
REFERENS I
Japan International Standard for Safety He lmet, T-8131, Japan, 1977.
Johnson, W., Impact Strength of Materials, Edward Arnold, London, 1972.
Kolsky, H., An Investigation of The Mechanical Properties of Materia ls at Very High Rate of Loading, Proc. Phys. Soc. (London), B62, 676-700 (1949).
Robert Metz, Impact and Drop Testing with ICP® Force Sensors, PCB Pie zotronics, Inc, Automotive Testng Expo, No rth Ame rica USA, 2006.
Standar Nasional Indonesia, Helm Pengendara Kendaraan Bermotor Roda Dua untuk Umu m, SNI 19-1911-1990.
Syam, B., A Measuring Method for Impact Tensile Strength and Impact Fracture Behaviors of Brittle Materia ls, A Doctoral Dissertation, Muroran Institute of Technology, Muroran, Japan, March 1996, pp. 29-98.
Syam B, Nayan A, Penyelidikan Perila ku Mekanik Helm Industri Akibat Beban Impak Kecepatan Tinggi, Prosiding Seminar Material dan Struktur (MASTRUCT), Medan, Januari, 2004.
Yanagihara, N., Theory of One-Dimensional Elastic Wave for the Measurement of the Impact Force, Bulletin of JSM E, vol. 43, 1977, pp. 40-48.
